1. Zukunft der Klimatisierung
Nach Jahrzehnten einer Öffnungspolitik und intensiver Bemühungen chinesischer Klimaanlagenhersteller gilt China mittlerweile als weltweites Zentrum der Klimaanlagenindustrie. Laut Berichten betrug die Gesamtproduktion von Klimaanlagen in China im Jahr 2011 139 Millionen Geräte – etwa 80 % der weltweiten Produktion. Gleichzeitig wird die Nachfrage kontinuierlich durch die Urbanisierungspolitik, die globale Erwärmung usw. gesteigert.
Grundsätzlich werden in Klimaanlagen zwei Arten von Rohren eingesetzt:
a. Rohre für Wärmeaustausch, z. B. Kondensator- und Verdampferrohre;
b. Rohre für Anwendungen außerhalb des Wärmeaustauschs, z. B. Außengeräte-Rohre und Verbindungsrohre zwischen Innen- und Außengerät.
Letzteres muss Wärme austauschen, wodurch die Substitution der Kupferrohre durch doppelwandige kupferverlötete Stahlrohre möglich wird (die Wärmeleitfähigkeit von Stahl beträgt 1/8,5 derjenigen von Kupfer; Stahl verliert daher weniger Wärme als Kupfer und ermöglicht somit eine höhere Energieeffizienz).
Grobschätzung zufolge benötigt jedes Klimagerät ca. 1,5 kg Kupferrohre: jeweils 0,5 kg für das Außengerät und 1,0 kg für die Verbindungsrohre. Basierend auf der Produktionsmenge von 2011 beläuft sich der Markt auf rund 200.000 Tonnen. Würden sämtliche Kupferrohre durch doppelwandige Stahlrohre ersetzt, ergäbe sich hierdurch eine große Chance für Hersteller doppelwandiger Stahlrohre sowie eine enorme Einsparung an Kupferressourcen.
2. Eigenschaften von Bundy-Rohren für Klimaanlagen
A. Alterungseffekt
Die Lagerdauer von Klimaanlagenrohren – vom Einkauf bis zur Installation – ist in der Regel lang. Für Innengeräte-Rohre und Verbindungsrohre ist sie noch länger. Daher muss der Alterungseffekt beim doppelwandigen kupferverlöteten Stahlrohr minimiert werden, um ausreichende Flexibilität für ein einfaches Biegen sicherzustellen.
B. Härtungseffekt
Ein höherer Verfestigungsindex n bedeutet eine höhere Dehnung der Rohre und ist daher für Kaltumformung vorteilhaft. Umgekehrt erschwert eine schnelle Verfestigung das Biegen und Aufweiten. Daher erfordern Bundy-Rohre für Klimaanlagen einen mäßig niedrigeren Verfestigungsindex, um eine akzeptable Dehnung zu gewährleisten.
C. Mechanische Eigenschaften
a. Die Zugfestigkeit stellt kein Problem dar: Sie beträgt mindestens 290 MPa für Stahlrohre und mindestens 270 MPa für Kupferrohre.
b. Die Streckgrenze der Stahlrohre liegt bei mindestens 180 MPa; die Klimaanlagenindustrie bevorzugt jedoch eine niedrigere Streckgrenze für eine einfachere Umformung der Rohre – idealerweise unter 140 MPa.
c. Dehnung: Für Stahlrohre ist eine Dehnung von 25 % erforderlich, während die Klimaanlagenindustrie mindestens 38 % verlangt und 40 % bevorzugt.
D. Chemische Zusammensetzung
Gemäß den Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften kann Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt (Kohlenstoffgehalt unter 0,004 %) diese Ziele erreichen. Die ursprüngliche Kohlenstoffzusammensetzung des doppelwandigen Stahlrohrs liegt bei 0,02–0,08 %.
E. Biegeprüfung
Die ursprünglichen Normen für Stahlrohre definieren für Rohre mit einem Durchmesser bis 8 mm einen Biegeformdurchmesser von 3 × Rohrdurchmesser; für größere Durchmesser beträgt dieser Wert 6 × Rohrdurchmesser. Bei Klimaanlagen erfolgt das Biegen der Rohre jedoch meist mit einem Radius kleiner als das 3-fache des Rohrdurchmessers.
F. Verformungsverhältnis
Für Kupferrohre in Klimaanlagen wird üblicherweise ein Verformungsverhältnis von 1,15–1,23 gefordert. (Das Verformungsverhältnis ist definiert als das Verhältnis zwischen großer und kleiner Halbachse des elliptischen Rohrquerschnitts nach dem Biegen.)
G. Korrosionsschutz
a. NSS-Prüfung
Viele Rohre werden der Außenatmosphäre und allen Wetterbedingungen ausgesetzt, wobei es sehr häufig zur Kondensation von Wasser auf der Außenseite der Rohre kommt. Für Klimaanlagenrohre wird meist eine Mindestprüfdauer von 500 Stunden gefordert; einige Hersteller verlangen sogar 1000 Stunden.
b. Schweißeffekt
Die Rohre werden gelegentlich durch Schweißen verbunden. Die Schweißtemperatur liegt deutlich über 800 °C, die Flamme selbst ist noch heißer. Die Außenumhüllung der Rohre darf dabei weder schmelzen noch beschädigt werden.
c. Dehnung
Die Rohre müssen mit korrosionsschützenden Beschichtungen versehen werden, die auch nach Biegen, Aufweiten oder Verjüngen intakt bleiben müssen.
d. Schweißbarkeit
Die Außenseite muss mit Kupferrohren verschweißt werden können. Diese Anforderung beschränkt die zulässigen Oberflächenbeschaffenheiten und erhöht gleichzeitig die Schwierigkeit des Schweißens.
H. Innere Sauberkeit
Der Restbestand an Lot auf dem verlöteten Stahlrohr beträgt 160 mg/m², während Klimaanlagen lediglich 25–38 mg/m² fordern.
3. Schlussfolgerung
Die Kupferrohre für Klimaanlagen werden manuell verschweißt. Die Schweißqualität hängt stark von Erfahrung und Geschicklichkeit des Bedieners ab; aufgrund der ungenauen Temperatur- und Zeitkontrolle beim manuellen Schweißen besteht zudem ein hohes Risiko für Kaltlötstellen. Auch die Auswirkung des Schweißens auf die Oberflächenbeschaffenheit kann bei Austauscharbeiten zu einem gravierenden Problem werden.
Wir haben entsprechende Untersuchungen und Versuche durchgeführt. Proben wurden an Klimaanlagen getestet, und es wurde ein über 40 Seiten umfassender Bericht erstellt. Nach realen Produkttests erfolgte die Anerkennung durch führende Klimaanlagenhersteller; wir freuen uns nun auf die nächste Phase mit kleineren Serienanwendungen.
Aufgrund der obigen Ausführungen kommt unsere Schlussfolgerung zu dem Ergebnis, dass die Substitution von Kupferrohren durch doppelwandige kupferverlötete Stahlrohre grundsätzlich sehr gut machbar ist. Allerdings bestehen noch technische Hindernisse, die die gesamte Branche vor Herausforderungen stellen.
Gleichzeitig benötigt die Klimaanlagenindustrie erfahrungsgemäß längere Zeiträume, um neue Technologien zu verifizieren und zu akzeptieren. Der Ersatz von Kupferrohren durch doppelwandige kupferverlötete Stahlrohre steht daher noch am Anfang eines langen Weges.
